2.5.6 Схемы защиты.
Ряд медицинских измерительных приборов периодически работает в экстремальных ситуациях способных вывести их из строя. Например, при работе электрокардиографа или кардиомонитора может потребоваться подать на грудь пациента высоковольтный импульс дефибриляции чтобы запустить остановившееся сердце. Чтобы защитить от этого импульса входные усилители биопотенциалов перед ними ставят схему защиты входных цепей (СЗВЦ рис 3.23,а).
При работе терапевтической аппаратуры воздействующей на пациента могут возникнуть нежелательные ситуации, когда в следствие ошибок обслуживающего персонала или неисправности медицинского прибора на биообъект может быть оказано вредное или даже смертельное воздействие. Для предотвращения этих ситуаций между технической системой (например, усилителем мощности) и биообъектом ставят схемы защиты пациента (СЗп) (рис. 3.22,б).
Рис. 3.22 Схемы защиты входных цепей биотехнических систем и пациента: БО – биообъект; Э1, Э2 – электроды; ДУ – дифференциальный усилитель; УМ - усилитель мощности.
2.5.7. Измерительные преобразователи. В современных биотехнических системах используются различные типы информации электрической и неэлектрической природы. В то же время биотехнические системы в основном обрабатывают и передают по своим каналам электрическое напряжение, которое является ведущим носителем многообразий информации в трактах биотехнических устройств. Для создания биотехнических систем, которые регистрируют сигналы различной природы, разработаны многочисленные измерительные преобразователи: ток в напряжение, сопротивление в напряжение, заряд в напряжение; перемещение в напряжение (тензодатчики), давления в напряжение; ускорение в напряжение (аксилерометры); сила в напряжение; концентрация жидкостей в напряжение; световой поток в напряжение; магнитный поток в напряжение и т.д. Чаще всего для построения этих преобразователей используются достижения в области микроэлектроники с созданием соответствующих микрочипов. На структурных схемах используют различные мнемонические изображения. В качестве примера на рис. 3.23, а и б показаны различные условные обозначения преобразователей напряжения в сопротивления, на рис 3.23 в преобразователь давления в напряжение.
Рис. 3.23. Варианты обозначений измерительных преобразователей
При обозначениях различного типа преобразователей стремятся использовать хорошо воспринимаемую абривиатуру, которая расшифровывается текстами, прилагаемыми к описанию структурных схем.
2.5.8. Выходные преобразователи. В различных методах лечебных воздействий используют различные их типы: механические; электрические; акустические; магнитные; электромагнитные, включая инфракрасные, видимое и ультрафиолетовое излучения и т.д. В подавляющем большинстве биотехнических систем эти воздействия реализуются через преобразователи напряжения в соответствующие виды воздействий. Например, преобразование напряжения в ультразвуковые колебания осуществляется пьезоэлементами, питание и управление лазерами осуществляется электрическими приборами, магнитное поле создается индукторами. На структурных схемах этот тип преобразователей изображается прямоугольником с абривиатурой легко ассоциирующейся с типом преобразователя и с пояснениями по тексту описания структурой схемы (рис. 3.24).
Рис. 3.24 Варианты обозначений выходных преобразователей различных типов: УМ – усилитель мощности; ЛИ – лазерный излучатель; БО – биообъект; УЗП – ультразвуковой преобразователь.
2.5.9. Блоки управления. Для согласования (синхронизации) работы различных узлов и блоков биотехнических систем, а так же для управления режимами их работы используются блоки управления (БУ), другое название которых устройство управления (УУ). Эти блоки могут работать автоматически или под управлением человека оператора, например через клавиатуру (Кл, рис. 3.25).
Рис. 3.25 Пример схемы включения блока управления
В этой схеме: Г1 – высокочастотный генератор несущей частоты; Г2 – генератор низкой частоты; М – модулятор; УМ – усилитель мощности; БО – биообъект.
Стрелками на схеме показаны направления управления. Например, на схеме рис 3.25 блок управления задает частоту и (или) амплитуду низкочастотного сигнала Uн. Для модулятора БУ задает силу (глубину) модуляции. Этот параметр определяет насколько сильно влияет низкочастотный сигнал на амплитуду несущего сигнала. Параметры управления задаются через клавиатуру.
2.5.10. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код. Их основное назначение обеспечивать сопряжение между аналоговыми частями биотехнических систем и цифровыми устройствами (блоки сопряжения с ПЭВМ, микропроцессоры, микроконтроллеры, каналы передачи цифровых данных и т.д.) (рис. 3.26).
Рис. 3.26 Вариант схемы подключения АЦП:
У – усилитель; МП – микропроцессор; БУ – блок управления.
Двойная стрелка на выходе показывает, что аналоговый сигнал превратился в несколько разрядов цифрового кода. Цифра 8 над косой чертой указывает, что на выходе 8 проводов передающих 8-ми разрядный цифровой код.
По сигналу запуск Зп от БУ АЦП начинает преобразование аналогового сигнала в цифровой код (этот процесс не происходит мгновенно). Когда АЦП закончит преобразования, то на выходе готовности (Гт) он выставляет сигнал, который может быть передан в МП для принятия решений о считывании цифрового кода с АЦП.
Если вычислительной мощности МП не хватает, разработчики используют ПЭВМ или добавляют ПЭВМ к микропроцессору распределяя между ними функции обработки (пунктир на рис 3.26).
2.5.11 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, который может быть использован для управления аналоговой частью биотехнических систем, для отображения графиков с помощью самописцев и других аналоговых регистраторов и т.д. (рис. 3.27).
Рис. 3.27 Вариант схемы использования ЦАП: МП – микропроцессор; УМ – усилитель мощности; БО – биообъект.
В этой схеме микропроцессор формирует 16-ти разрядный код и по сигналу преобразование (Пр) включает ЦАП, на выходе которого формируется аналоговое напряжение, величина которого определяется цифровым кодом. Полученный аналоговый сигнал усиливается усилителем мощности и воздействует на биообъект.
2.6.12 Блоки отображения информации (БОИ) предназначены для формирования промежуточной и итоговой информации о состоянии и результатах работы биотехнической системы. Номенклатура БОИ весьма многообразна от простейших лампочек и светодиодов до символьных и графических дисплеев, включая сенсорные дисплеи. Иногда в схемах рисуют несколько блоков отображения и индикаторов (ИН), если они решают разные задачи (рис. 3.28).
Рис. 3.28 Вариант схем подключения БОИ и Ин к биотехнической системе и биообъекту:
БТС – биотехническая система; БОИ – блок отображения информации о состоянии и режиме работы БТС; ИН – индикатор силы воздействия на биообъект; БО – биообъект.
2.5.13 Блоки питания (БП) обеспечивают создание требуемых мощностей и напряжений для питания биотехнических систем и сопутствующего оборудования. Иногда эти блоки не рисуют, иногда рисуют, указывая только их выходные напряжения, (рис 3.29) иногда стрелками указывают на какие блоки, какое напряжение подается.
Рис. 3.29 Вариант условного обозначения блока питания